tipos de biorreactores

Tema 5

Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

Objetivos

Contenidos

Conocer los tipos de biorreactores y sus características. Saber las aplicaciones generales de los diferentes tipos de biorreactores Conocer las formas de operación en los biorreactores con los diferentes biocatalizadores. Determinar, una vez conocido el biocatalizador, las posibles configuraciones de biorreactores biorreactores para llevar llevar a cabo una transformación determinada. Determinar el tipo de operación más adecuado a emplear en la transformación.

Clasificación de los Biorreactores Biorreactores con biocatalizadores en suspensión: Agitación Mecánica y Agitación Neumática Biorreactores con biocatalizadores inmovilizados: Enzimas y Células. Biorreactores especiales

BIORREACTOR Recipiente en el que se lleva a cabo una transformación en la que interviene un biocatalizador

Características Generales • Condiciones de operación suaves (Poco aporte energético) • Transformación isoterma (Resolución BM y BE no acoplado) • Productividad Productividad (actividad y estabilidad biocatalizador, biocatalizador, rdto producto)

TIPOS de BIORREACTORES

Clasificación Forma

Fases Tanques h Ø

Tipo de operación Homogéneos

Tubos h >> Ø Heterogéneos

Otros

Estado Biocatalizador

Discontinuo Continuo Semicontinuo

Biocatalizadores en suspensión: enzimas (homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)

Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos Biorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,



Fases Tanques h Ø


Tubos h >> Ø Otros


Heterogéneos


enzimas (homogéneos) Biocatalizadores en suspensión: enzimas y células Biocatalizadores en suspensión: (heterogéneos, G-L-S)

(homogéneos) y células (heterogéneos, G-L-S)

Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos Biorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,

Distribución homogénea del catalizador: Agitación

Tipo de agitación Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión


Tipo de agitación Agitación equipo mecánico Agitaciónmecánica: mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gas a presión

Agitación Mecánica

Reactor tipo TANQUE AGITADO Características generales • Tipo de Flujo (ideal): Flujo en Mezcla Perfecta • Relación h/Ø: 1 • Versátiles: permite cambios, uso multipropósito • Los más empleados • Agitados mecánicamente (tipos de agitadores):

consumo relativamente elevado de potencia • Otros elementos: bafles deflectores, rompe-espumas • Aireados (células aerobias): Distribuidores de aire • Transferencia de calor: Serpentines, camisas • Tipo de operación: Discontinua, Semicontinua, Continua


Tipo de agitación Agitación mecánica: equipo mecánico Agitación neumática: gasgas a presión Agitación neumática: a presión

Agitación Neumática

Reactores tipo COLUMNA Características generales Relación h/Ø: > 6/1, Reactores tubulares (COLUMNAS de BURBUJEO) Agitados neumáticamente (gas a presión) Aireados: Distribuidores de aire Transferencia de calor: Serpentines, Cambiador externo Tipo de operación: Discontinua, Continua Accesorios: recirculación (AIR-LIFT) Células susceptibles daño

Columna de burbujeo

Flujo Homogéneo

Régimen de Flujo

Flujo Heterogéneo

Columna de burbujeo Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida Células susceptibles de daño celular Microorganismos floculantes (Lecho fluidizado trifásico) Procesos: Producción cerveza, vinagre, levadura panadería, SCP, aguas residuales Características de diseño: - distribuidores de gas parte inferior recipiente - Parte superior con mayor diámetro (arrastres): ↓vS Control por velocidad de transporte de oxígeno →Sistemas bifásicos (control película líquida) Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial) Modelos de dos zonas

Air-lift Características

Fase sólida (microorganismo) “disuelta” en fase líquida Células susceptibles de daño celular (células superiores) Características de diseño: - distribuidores o inyectores de gas - Elementos mecánicos internos (externos) →Movimiento del líquido Control por velocidad de transporte de oxígeno →Sistemas bifásicos (control película líquida) Diseño: f (flujo en el recipiente): f (mezcla axial) Modelos de tres zonas

Air-lift

Características

Procesos: cultivo de células superiores (animales y vegetales) tejidos u órganos de células vegetales tratamiento aguas SCP (a partir de metanol) Dos ZONAS (ASCENDENTE y DESCENDENTE): Diferente densidad: Separación gas zona superior. Movimiento líquido ascendente y descendente separados físicamente Gas se introducido en zona ascendente. CONFIGURACIONES: Recirculación interna Recirculación externa.

Configuraciones: Recirculación interna

Air-lift

Salida gas

Salida gas

Tubo o bafle Descendente Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire)

Entrada gas (aire)

Salida gas

Air-lift

Configuraciones Recirculación externa

Descendente Ascendente

Distribuidos de gas

Entrada gas (aire)

Características

Comparación Agitación Mecánica y Neumática

Mecánica

Neumática

Viscosidad

Volumen reactor

Potencia

Daño celular

Baja y Alta

Pequeño

Elevada

Elevado

Baja

Elevado

Moderada

Bajo

Transferencia calor Generación elevada (sistemas no muy exotérmicos) Generación baja (todo tipo de sistemas)



Fases Tanques h Ø


Tubos h >> Ø Heterogéneos

Otros




enzimas y células, Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos Biocatalizadores inmovilizados: métodos Biorreactores especiales: estado sólido, fotobiorreactores,

Tipo de biocatalizador Enzimas Células

Enzimas

Reactores Heterogéneos

• Elevadas producciones, calidad constante • Mayor estabilidad E que en suspensión. Inmovilización • Reutilización catalizador (Alto precio) •Tanques agitados • Lechos

Enzimas

Tanque agitado (CSTR)

• Equipos cilíndricos h D • Agitación mecánica • Mezcla perfecta (líquidos con baja viscosidad) • Homogeneización: Elevada N (P/V) • Bajos costes producción

posible abrasión

• Gran automatización • Equipos versátiles • Enzimas inmovilizadas: configuraciones • partículas suspendidas (filtro) • Partículas retenidas (agitador, bafles) • Circulación partículas

Enzimas

Tanque agitado (CSTR)

Tanque cesta

Tanque (tabiques)

Tanque slurry

Enzimas

Reactores tubulares

Lecho fijo

Lecho fijo •Elevadas [E] Lecho de fibra

•Alto inmovilizado •Bajos costes producción (automatización) •Flujo pistón: f(z), no f(r) •Enzimas inmovilizadas: configuraciones • lecho fijo • lecho de fibra • monolito

Monolito

Células

Tipo de inmovilización Pasiva Activa

Células

INMOVILIZACIÓN PASIVA

Crecimiento células en superficies materiales rugosos Operación en continuo

Filtro biológico

- VENTAJAS: - No pre-producción células - Gran capacidad de TM - Partículas reutilizables - Cambio de escala no complicado - DESVENTAJAS: - No esterilidad: tratamiento residuos

Células

INMOVILIZACIÓN PASIVA

Ejemplos Células

Soporte

Producto

Cultivo mixto Microorganismos metanogénicos

Espuma de poliuretano Espuma de poliuretano

Tratamiento de residuos Metano

E. coli S. cerevisiae

Espuma de silicona Acero o espuma de poliester

Amilasa Etanol

Clostridium acetobutilicum

Esponja natural

Acetona, butanol, etanol

Trichoderma viride

Acero

Celulasa

Mucor ambiguus

Espuma de poliuretano

Ác γ-linolénico

Rizopus chimensis


Lipasa

Penicillium chrisogenum


Penicilina

Células Tanque agitado

INMOVILIZACIÓN ACTIVA

- Robustez biocatalizador: diseños agitador - Proceso aerobio: limitaciones

Lecho fluidizado Lecho fijo - VENTAJAS: - facilidad operación - velocs reacción - DESVENTAJAS: - Taponamiento lecho: Células no viables o resting cells - No gran aporte de O2 - Eliminación CO2 - Tratamiento L-S

- MO aerobios y anaerobios - MO susceptibles de daño celular - Fácil Control y medida - Introducción catalizador activo - Veloc. mínima fluidización con recirculación líquido - Pequeñas partículas con elevada área - Mala estabilidad - Complejidad diseño - No esterilidad

Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA

Ejemplos

Reactor Lecho fijo Lecho fluidizado Tanque agitado

Células

Inmovilización

Producto

E. coli S. cerevisiae

Gel poliacrilamida Alginato cálcico

fumárico aspártico Etanol

Brevibacterium flavum

Colágeno

Ácido glutámico

Cultivo mixto

---

Tratamiento aguas

Células animales

---

Anticuerpos monoclonales

Células INMOVILIZACIÓN ACTIVA (atrapamiento)

Reactores de membrana

- Membranas preformadas: separación células del medio -Operación continua ⇒tamaño: 0,1 y 5 µm; f(tamaño celular) MEMBRANAS: ⇒Material: acetato y nitrato celulosa - ultrafiltración (poliméricas) polipropileno poliacrilonitrilo, etc - cerámicas, siliconas Permeabilidad: f(tamaño, estructura, hidrofobicidad, carga) - intercambio iónico Forma: fibras huecas (hollow fiber



VENTAJAS: - Método inmovilización no daña metabolismo: “en suspensión” - Empleo para células viables con o sin crecimiento (resting cells) - No wash-out - Resting cells: combinación reacción y regeneración - Mayor pureza producto: Down-stream - Posibilidad de permeabilidad selectiva: - No a inhibidores - Componentes de fases L y G por membranas diferentes (no oxigenación L) - Entada de nutrientes por membranas diversas - Empleo de medios no acuosos sin emulsión (y separación de fases) - Protección contra stress hidrodinámico



DESVENTAJAS: - Transferencia de Materia: - Distribución heterogénea de células, mo móviles - Distribución heterogénea de sustratos: empleo resting cells - Transporte por difusión. - Compatibilidad células con membranas sintéticas: metabolismo - Monitorización y control

Ejemplos

Células

Producto

E. coli

β-lactamasa

Lactobacillus delbrenkri

Ácido láctico



Fases Tanques h Ø


Tubos h >> Ø Otros


Heterogéneos



Biocatalizadores inmovilizados: enzimas y células, métodos estado sólido,estado fotobiorreactores, Biorreactores especiales: sólido, Biocatalizadores especiales: intensificación de procesos fotobiorreactores

Tipo de transformación Fermentación en estado sólido Fotobiorreactores

BIORREACTORES ESPECIALES

Estado Sólido

Agitación Mecánica: Tanques agitados Fermentadores rotatorios Biorreactores pulsantes Operación continua o discontinua


Estado Sólido

- Sustratos sólidos - Bajos niveles de humedad (40%, <80%) - Procesos anaerobios y microaerófilos - Ambiente selectivo (actividad agua) Mohos, bacterias, levaduras - Excreción de enzimas extracelulares - Procesos: Vino, Salsa de soja, Tratamiento residuos (Discontinuo)

VENTAJAS: - Volumen pequeño (economía) - ↓Posibilidad de contaminación (%H2O) - Separación producto sencilla (líquido, gas, sólido) - Desarrollo de estructuras microbianas morfológicas diferenciadas DESVENTAJAS: - Medio heterogéneo: mala mezcla - Dificultad de control - Volúmenes mayores gradientes (rotura micelios)

Reactores rotatorios


BIORREACTORES PULSANTES

- Agitación pos pulsos: movimiento elementos equipo (platos, émbolo) - Procesos aerobios - Elevada viscosidad

- Aplicaciones: Operación continua Producción Metabolitos Tratamiento de residuos

Células

Producto

Características proceso

Cyathus striatus Zymomonas mobilis

Antibióticos Ácido cítrico Etanol

Aerobio, elevada viscosidad Aerobio, elevada viscosidad ----

Acetobacter aceti

Ácido acético

Aerobio, inmovilización

Levadura

SCP Tratamiento de residuos

aerobio Aerobio, anaerobio

Aspergillus niger

Cultivo mixto


FOTOBIORREACTORES

- CO2→Metabolitos (autótrofo) - Energía luminosa (fotótrofo) - Compuesto dador de e- (H2O) - Organismos fotosintéticos: bacterias fotosintéticas, microalgas, cianobacterias,

Complemento alimentario (biomasa) ⇒Espacio: O2 y alimento ⇒Producción metabolitos de valor añadido ⇒Pigmentos, antioxidantes, prods farmacéuticos ⇒Medioambiente ⇒Eliminación sustancias tóxicas (metales pesados, fijación CO2) ⇒Inóculos suelos contaminados ⇒Regeneración atmósfera sistemas cerrados ⇒

BIORREACTORES ESPECIALES ACTIVIDAD BIOSINTÉTICA: - Eficacia sistema iluminación: µ - Luz natural

Poco gasto energético Difícil control Pureza Fases luz-oscuridad Menor productividad

FOTOBIORREACTORES

- Luz artificial

Continuos Buen control condiciones Calidad cte producto Permiten esterilización Elevado gasto energético Dificultad cambio de escala

- Veloc. Volumétrica absorción luz: - ↑Superficie de T.E. - ↑I luz incidente

Tema 5

Biorreactores: Tipos, Aplicaciones y Formas de Operación

Bibliografía recomendada Asenjo, J.A. y Merchuck, J.C. 1994. Bioreactor System Design. Marcel Dekker . 139-206. Atkinson, B. 1986. Reactores Bioquímicos. Reverté. 15-45. Atkinson, B. y Mavituna, F. 1991. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. Stockton Press. 2nd Ed., 608-624 Bailey, J.E. y Ollis, D.F. 1986. Biochemical Engineering Fundamentals. McGraw-Hill . 2ª Ed. 535-539 Blanch H.W. y Clark, D.S. 1996. Biochemical Engineering. Marcel Dekker. 276-277, 292300 Doran, P. M. 1995. Bioprocess Engineering Principles. Academia Press. 336-353. Godiá, Casasblancas, F. y López Santín, J. (eds.). 1998. Ingeniería Bioquímica. Síntesis. 131-144, 299-230 Shuler, M.L. y Kargi, F. 2002. Bioprocess Engineering. Basic Concepts. 2ª Ed. Prentice Hall . 245-290

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